機器狗走梅花樁？自行車能自平衡？騰訊 Robotics X 實驗室研究首次「開箱」
【環球網科技綜合報導】11月20日，騰訊公布了其在移動機器人研究方面的新進展：四足移動機器人 Jamoca 和自平衡輪式移動機器人首次對外亮相。
Jamoca 是國內首個能完成走梅花樁複雜挑戰的四足機器人，而自平衡輪式移動機器人的相關研究成果還入選了機器人行業的頂級會議 IROS 2020。
這兩項進展均來自騰訊Robotics X 實驗室，屬於移動方向上的技術突破，也是機器人最基礎的能力之一。
騰訊 Robotics X 實驗室於2018年成立，致力推進人機協作的下一代機器人研究，打造虛擬世界到真實世界的載體與連接器。目前實驗室主攻移動、靈巧操作和智能體等三大通用機器人技術的研究與應用，並聚焦於多模態移動機器人的研發。
四足移動機器人 Jamoca ：能走、能跑、能跳，可挑戰梅花樁複雜地形
「少林從師數十冬，梅花樁上練真功。持之以恆銳意修，定可成名蓋群雄。」
梅花樁是中國功夫的重要訓練道具之一，習練梅花樁也是武俠小說中修煉輕功的基礎。現在，梅花樁上迎來了一位新的「練功者」—— 騰訊四足移動機器人Jamoca。
四足移動機器人，更常見的一個名字是機器狗。騰訊 Robotics X 實驗室在外部提供的本體之上，基於自研的機器人控制技術，為Jamoca 打造了一個能應對複雜環境的智能大腦。這個大腦讓 Jamoca 能行走、小跑和跳躍，並賦予了它自主定位和避障的能力。
此次 Jamoca 完成的挑戰由高60釐米、呈20°斜面角度的臺階和鄰樁最大高度差16釐米、間距不等的梅花樁兩部分組成。
據騰訊 Robotics X 實驗室研究員介紹，和國際上其他四足機器人走木塊的場景比較，此次 Jamoca 所挑戰的梅花樁落腳面積更小、高度更高，並有臺階的組合，實現的難度要更大。
其中，考驗機器人移動能力的難點主要有兩個：理解梅花樁的排布(包括位置和高度)、選擇最佳落腳點及路線並穩定精準地行走(落腳到梅花樁中心點)。
這正對應了實驗室在移動技術方面鑽研的的兩個核心技術模塊：感知、運動規劃與控制；同時二者通過實驗室的另一核心技術模塊：整機系統設計與搭建，實現了系統性的集成融合。
從 Jamoca 挑戰的結果看，騰訊 Robotics X 實驗室已經達到了極高的技術標準——誤差1釐米內的感知定位、根據環境進行的10毫秒級路線規劃、基於動力學的1KHz實時力矩控制、梅花樁中心點1釐米內的落腳誤差，以及全系統的高度協同。
在精準環境感知方面，Jamoca 創新性地實現了魯棒的眼腳標定，並利用RGB-D相機對周圍環境進行實時的感知。通過特徵點匹配的方式，對 Jamoca 自身的運動軌跡進行在線跟蹤，並將基於視覺的定位信息與基於運動學的裡程計信息和 IMU(Inertial measurement unit，慣性測量單元)數據進行融合，提高了定位追蹤的精度和頻率。同時利用算法識別和提取出臺階和梅花樁的表面區域範圍和中心點位置，將定位和識別的數據進行融合，從而重建出整個三維運動場景。
在最優運動線路規劃和實時的運動控制方面，Jamoca 基於感知系統實時感知到的機器人本體及梅花樁位置信息，基於質心動力學，實現在線的質心軌跡生成和落腳點規劃。在保證機器人的四條腿可以安全地踏到下一步的梅花樁的同時，優化出一條本體移動長度最短、綜合耗力最小的運動軌跡，並且可以在線持續地進行上述運動規劃。
同時，基於實時的本體狀態估計，Jamoca能夠結合質心動力學模型來構建優化問題，實時求解機器人足端所需的地面反作用力，並結合反饋控制實現精準魯棒的實時力控，可完成行走、對角小跑以及跳躍等的運動控制。
不同於預先設計好規則之後做重複的運動的工業機器人，Robotics X 實驗室更關注機器人有意識、有判斷的自主特性研究，目的就是要在有很大不確定性的動態環境裡，能夠實現機器人的自主判斷、自主決策，並自主完成任務。
現階段，Jamoca 主要用於實驗室內部科研實驗。它的在線環境感知、最優運動規劃和實時運動控制等能力，未來將幫助騰訊其他機器人產品更好地適應複雜的現實環境。
靜止、行進均能自主保持平衡的輪式機器人
此次一同亮相的，還有一款自平衡輪式移動機器人，也可稱之為自平衡自行車，是騰訊 Robotics X實驗室的首個整機自研機器人。
它在傳統輪式移動機器人的基礎上，增加了動量輪及其電機驅動系統，使得機器人可以在靜止及行進狀態下均保持平衡不倒。
自平衡輪式移動機器人的硬體平臺完全由騰訊Robotics X自研，重約15公斤，長1.15米，高0.52米
它的控制能力又可以細分為行進中的動態自平衡和停止行進時的靜態自平衡。行進中的動態自平衡是依靠前把轉動進而帶動車身的轉動實現，而停止行進時的靜態自平衡則採用動量輪力矩平衡技術，應用角動量守恆的原理實現自平衡控制。
依靠平衡算法，即使受到一定的外界幹擾，騰訊自平衡輪式移動機器人仍然可以在保持自平衡狀態的同時，實現平穩地向前行駛。
機器人在不同的路面狀況下，例如遇到上下坡時，也都表現出了較好的運動能力和平衡性能。甚至對於行駛路徑上存在特定約束的情況，比如沿著獨木橋行駛的場景，它也能從容應對。
在此前舉行的機器人行業國際頂會IROS2020上，騰訊 Robotics X 實驗室發布的兩篇平衡控制方向的Oral論文，就來自於該機器人項目。
IROS由IEEE(電氣和電子工程師協會)和RSJ(日本機器人學會)共同舉辦，是機器人領域三大國際頂級會議之一，今年的主題為Consumer Robots and Our Future，接收來自機器人與人工智慧、機器人視覺、傳感器、雲機器人等相關領域的研究。
在第一項研究《自平衡輪式移動機器人的非線性平衡控制：設計與實驗》中，騰訊 Robotics X 實驗室與紐約大學合作研究了自平衡輪式移動機器人的動靜態平衡控制的穩定性問題。
在傳統輪式移動機器人的基礎上，騰訊Robotics X 實驗室增加了動量輪和電機驅動系統，使用了級聯與阻尼配置的無源控制(Interconnectionand Damping Assignment - Passivity Based Control, IDA-PBC)方法，並應用李雅普諾夫理論從理論上證明了自平衡輪式移動機器人的閉環系統穩定性。
此外，實驗室還在自建平臺上證明了新控制器效果良好，能讓機器人保持自平衡，並有一定的抗外界幹擾能力。
而在另一項研究《自平衡輪式移動機器人平衡的增益規劃控制器設計》中，不同於傳統方法將靜態和動態平衡區分對待，研究團隊建立了可以同時描述輪式移動機器人動態特性和靜態特性的統一的數學模型。
基於同一個模型，動態平衡和靜態平衡對不同驅動輸入的依賴程度不同，無法使用同樣的控制參數。因此，研究團隊使用基於增益規劃(Gain Scheduling)的控制方法。該控制方法可在兩種情況下都保持輪式機器人的平衡，這一點在理論和實驗中都得到證明。
移動機器人的技術框架
騰訊 Robotics X 實驗室主攻機器人移動、靈巧操作和智能體等三大核心通用技術的研究與應用。
其中，移動是機器人最基礎的能力之一，此次發布的兩項進展就屬於移動方向。
而移動方向又可分為四個技術模塊：機械設計、感知、運動規劃與控制、整機系統設計與搭建。通俗的說，前三者分別是機器人的軀幹、眼睛和大腦，最後一項則是它的各「器官」協調的能力。
算法自研的 Jamoca 正是結合了騰訊在感知、運動規劃與控制兩方面的研究成果。而整機自研的自平衡輪式移動機器人則可以視作騰訊在機器人的機械設計和整機系統設計與搭建方向能力上的一個裡程碑項目。
騰訊 Robotics X 與騰訊 AI Lab 實驗室主任張正友博士表示：「移動或運動能力，是機器人最核心、也是最基本的能力之一，決定了它能去到什麼場景，做什麼事情，未來有什麼樣的想像力。我們很高興能看到這兩項進展，並將繼續深入探索機器人的通用能力，為虛擬到真實世界搭建一個有力的橋梁。」